基于激光传感器跟踪智能车系统的设计和实现资料

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1、基于激光传感器寻迹智能车系统的设计和实现陈勇，张謇，张欢欢电子与信息学院杭州电子科技大学浙江省杭州市，中国Chenlong@hdu.edu.cn摘要：本文记叙了一种基于激光传感器路径识别的智能小车控制系统的设计与实现方法。智能小车的整个系统是实现在一个模型为128大小的汽车。该车是由后轮直流电机和前轮转向伺服驱动的。小车按设计配有接收波长650纳米的激光管作为其路径识别传感器，并采用飞思卡尔公司的高性能单片机MC9S12XS128作为控制电机的核心，通过伺服系统对采集跟踪信息和编码器的速度反馈。文中使用的控制方案命名为闭环控制系统，使用

2、与速度反馈相结合的PID控制算法。整个系统的稳定运行通过软件和硬件的共同工作来完成，达到对复杂的路径信息作出快速的反应。关键词：寻迹智能小车；激光传感器，微控制器，MC9S12XS128单片机；PID算法一、介绍寻迹智能车是一个传感器，机器视觉，信号处理，自动控制等技术为一体的新技术。它的背景是飞思卡尔杯智能大学汽车赛。根据比赛的要求，寻迹智能车需识用别跟踪，搜索和自动驱动来尽快的跑完一圈。寻迹智能车采用高电流的脉冲发射激光传感器检测引导线和收集跟踪信息。通过对传感器的数据收集和处理，MCU控制前轮转向和直流电动机控制后轮驱动寻迹智能车

3、，则车可以跟踪路径和驱动快。在没有外部因素的干扰的前提下，激光传感器的路径信息越远，对寻迹智能车的预测效果越好。一个简单的工作框图如图1所示。图1寻迹智能车的简单运行图二、寻迹智能车系统的组织结构和工作原理该系统的稳定运行是在飞思卡尔16单片机MC9S12XS128的控制之下。系统的结构图如图2所示的系统，主要包括激光发射和接收模块，速度编码器模块，电机驱动电路模块与伺服驱动模块。图2系统结构框图寻迹智能车的工作原理：单片机控制激光发射管发射激光，接收管接收来自轨道的激光反射。微芯片内的AID转换器收集接收管内的电压数据。由于从白色轨道

4、和黑色引导线的反射激光的强度是完全不同的，在MCU可以根据这些数据判断智能车离中央导向线的距离多远。结合来自速度编码器的速度反馈，再由算法处理该信息，该系统会提供一种新的速度和转向角度值。三、系统硬件电路设计A.激光传感器的选择和电路设计有两种类型的激光管中可以选择。一种为780nm-lOmw激光管，另一种是650nm-lOmw激光管。因为780nm波长非常接近红光光谱的两端末尾，因此，它几乎是不可见的，只有在非常暗的环境可以让人看光线。而650nm波长在红光光谱的中间可以容易地看到。在考虑调试系统的便利性，650nm-lOmw激光管是

5、更好的选择。对于650nm激光，相同的波长接收管具有的最高光谱感光度，会达到最大的效果。为了延长寻迹智能车可以预见的距离，该系统采用高电流和脉冲发射式发射激光。激光发射电路如图3所示。本电路主要由3至8线译码器74HC238和八个达林顿阵列ULN2803组成。作为电路的分配器，The74HC238只有在输出为高电平是会被激活。MCV分布数据（特定频率信号）由PA36（PAOI，PA02，PA03）输入，由74HC238解码器的引角（YO至Y7）输入至ULN2803逐个点亮激光发射管。图3激光发射电路激光接收电路如图4所示。该电路包括激光

6、接收管和运算放大器。接收管接收反射的激光通常会产生10mv的至200mV范围内的电压信号，噪声信号需放大处理才能被MCV接收处理。被放大的信号之前，RC滤波器用于过滤直流信号和低频信号。我们选择精确，低噪声运算放大器TLC2202德州仪器。放大的信号由MCV内的AID转换器进一步处理收集。图4放大电路在该设计中，MCV控制激光管一个接一个的发射激光，从而使接收管时分复用。因此一个接收管从两个激光管接收信号。此设计降低了成本，以及追踪智能汽车的重量。激光发射的布局和接收电路如图5所示。激光管的发射序列是根据布局的特殊顺序排列的。激光管需交

7、叉而不能依次发射这样可以避免干扰。该系统采用高电流脉冲发射方式来控制激光管发射激光发射序列可以是T1，TS---+T2，T6---+T3，T7---+T4，T8---+T1，TS。当激光通过T1或T2发射，RI将接收到信号。当激光通过T3或T4发射，R2将接收到信号。当激光通过TS或T6发射，R3将接收到信号。当激光通过T7或T8发射，R4将接收到信号。交叉发射的方法提高了系统的可靠性和抗干扰能力。图5激光发射和接收布局B.电机和伺服驱动电路和速度测量电路的设计电机RS-380SH被选择用于本文的寻迹智能车系统。为了电机能在高速中快速反

8、应，电机需要回滚制动，这要求电机驱动电路具有双向驱动器的能力。本设计采用的是由四个MOSFET的经典H桥驱动器设计。两个高电流半桥芯片BTS7970B组成全桥电路。该BTS7970B是一个完全集成的大电流半